Transcript Mo*ovinový cyklus

Metabolismus aminokyselin II.
Močovinový cyklus
Jana Novotná
2. LF UK, Ústav lékařské chemie a klinické biochemie
Osnova
• Zdroje dusíku jako odpadního produktu
metabolismu aminokyselin
• Meziorgánový tok aminokyselin
• Zdroje NH4+ pro močovinový cyklus
• Sled reakcí močovinového cyklu
• Napojení močovinového cyklu na Krebsův
cyklus
• Genetické poruchy
Meziorgánový tok aminokyselin v post-absorpčním
stavu
Odbourávání proteinů v kosterních svalech
AA  doplnění zásoby volných AK.
Glutamin a alanin – nesou aminoskupinu z
kosterních svalů do dalších tkání.
Glutamin  NH4+ do ledvin  excretion
protonsů.
Glutamin – jako zdroj energie pro ledviny
střevo a buňky imunitního systému.
Alanin  NH4+ do jater  tvorba močoviny.
Dusíková bilance
Tkáňové proteiny
Puriny, hem, atd.
Energie
Proteiny
z potravy
Hotovost
aminokyselin
Vyloučení jako
močovina a
NH4+
Množství dusíku přijatého v potravě je v rovnováze s vylučováním
jeho ekvivalentního množství. Asi 80% vyloučeného dusíku je ve
formě močoviny.
Zdroje amoniaku
• Amoniak pochází z katabolismu aminokyselin a ty
především z odbourávání proteinů – jak přijatých
potravou, tak endogenních:
• trávicí enzymy
• proteiny pocházející z odloučených buněk povrchu
GIT
• svalové proteiny
• hemoglobin
• intracelulární proteiny (poškozené, nepotřebné)
Transport aminodusíku
při odbourávání svalových
bílkovin
Glukoso-alaninový cyklus
Alanin vyplavený ze svalu a periferních
tkání, je použit pro glukoneogenezi v
játrech a glukóza je opětovně vychytávána
svalem a periferními tkáněmi→ pyruvát →
alanin atd.
Aminodusík z alaninu je v játrech použit pro
syntézu močoviny.
(Obdoba cyklu Coriových).
Obrázek převzat z učebnice: D. L. Nelson, M. M. Cox :LEHNINGER. PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY Fifth edition
Oxidace aminokyseliny a tvorba močoviny
Oxidace
Odpad nebo
opětovné využití
Amoniak musí být odstraňován:
• Amoniak je toxický, zejména pro CNS, protože reaguje s
a-ketoglutarátem, a tak snižuje jeho dostupnost pro
citrátový cyklus  kolaps CC a následně i syntézy ATP.
• Při poškození jater nebo vrozené metabolické poruše,
kdy stoupá koncentrace amoniaku, se může objevit třes,
nezřetelná řeč, rozmazané vidění, koma a smrt.
• Normální koncentrace amoniaku v krvi: 30-60 µM
Exkreční formy dusíku
a)
b)
c)
NH4+
amonný iont
močovina
kyselina močová
a)
b)
c)
přebytek NH4+ se vyloučí jako amoniak (bakterie, vodní
obratlovci nebo larvy obojživelníků),
močovina (mnoho suchozemských obratlovců),
nebo kyselina močová (ptáci a suchozemští plazi)
Přehled katabolismu
aminokyselin u
savců
2 MOŽNOSTI
1. Opětovné
využití
2. Močovinový
cyklus
Fumarát
Oxaloacetát
Odstranění dusíku z aminokyselin
Odstranění dusíku z aminokyselin
Krok 1: odstranění aminoskupiny
Krok 2: přesun do jater
Krok 3: vstup do mitochondrie
Krok 4: příprava dusíku pro vstup do močovinového cyklu
Krok 5: močovinový cyklus
Krok 1: odstranění aminoskupiny
• Přenos aminoskupiny aminokyseliny na a-ketokyselinu
 původní AK se mění na a-ketokyselinu a naopak:
Zdroje NH4 + pro močovinový cyklus
Zdroje glutamátu a NH4+ pro močovinový
cyklus
Zdroje glutamátu a NH4+ pro močovinový
cyklus
Mitochondrie, močovinový cyklus
• Transaminaci katalyzují transaminasy
(aminotransferasy) s koenzymem pyridoxalfosfátem:
aminokyselina
pyridoxalfosfát
Schiffova báze
Krok 2: přesun aminoskupiny do jater
Aminoskupina z mnoha a-aminokyselin
se shromažďuje v játrech ve formě
aminoskupiny L-glutamátu.
Glutamát
dehydrogenasa
Oxidativní deaminace glutamátu
(glutamátdehydrogenasa)  uvolnění
NH3 (mitochondrie) v játrech.
Jaterní glutamátdehydrogenasa - jediná
z enzymů schopna využívat NAD+ i
NADP+ jako akceptory redukujících
ekvivalentů.
Transdeaminace - kombinované působení
transaminasy a glutamátdehydrogenasy
Látky dopravující aminodusík
1. Glutamát
přenáší jednu aminoskupinu UVNITŘ buněk:
transaminasy → na a-ketoglutarát přenášejí
aminoskupinu za vzniku glutamátu
Glutamátdehydrogenase → opačná reakce
2. Glutamin
přenáší dvě aminoskupiny MEZI buňkami → uvolní je v
játrech
3. Alanin
přenáší aminoskupinu ze tkání (svalů) do jater
Glutamin transportuje
amoniak z krevního řečiště
Nejvýznamnější transportní
forma aminodusíku v krvi.
glutaminsyntetasa
Glutamin transport do jater
Mitochondrie hepatocytů 
glutaminasa  uvolnění NH3,
glutamin se mění zpět na glutamát.
NH3 se v močovinovém cyklu mění na
močovinu.
Obrázek převzat z učebnice: Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley-Liss, Inc., New York, 1997.
ISBN 0-471-15451-2
Přenos aminoskupiny
uvnitř buňky (glutamát)
Přenos mezi buňkami
(glutamin)
V játrech
Shrnutí:
• Nositelé dusíku  glutamát, glutamin, alanin
• 2 enzymy mimojaterní, 2 enzymy uvnitř jater:
– transaminasa (PLP) → a-ketoglutarát → glutamát
– glutamátdehydrogenasa (bez PLP) → glutamát → aketoglutarát (v játrech)
– glutaminsynthasa → glutamát → glutamin
– glutaminasa → glutamin → glutamát (v játrech)
Krok 3: vstup dusíku do mitochondrie
Krok 4: příprava dusíku pro vstup do
močovinového cyklu
Regulace
Krok 5: močovinový cyklus
aspartate
Ornithine
transcarbamoylase
Argininosuccinate
synthase
Arginase 1
Argininosuccinate
lyase
Aspartát-argininosukcinátový zkrat do citrátového cyklu
(oxalacetát  aspartát)
OOA
Močovinový cyklus – opakování, sled reakcí
• Karbamoylfosfát - jeho tvorba v mitochondriích je nezbytným
předpokladem pro močovinový cyklus
– (karbamoylfosfátsynthetasa)
• Citrulin – tvorba z karbamoylfosfátu a ornithinu
– (ornithintranskarbamoylasa)
• Aspartát poskytuje další dusík pro tvorbu argininosukcinátu v
cytosolu
– (argininosukcinátsynthasa)
• Tvotba argininu a fumarátu
– (argininosukcinátlyasa)
• Hydrolýza argininu na močovinu a ornithin
– (arginasa)
Bilance močovinového cyklu
NH3 + CO2 + 2ATP → karbamoylfosfát + 2ADP + Pi
karbamoylfosfát + ornithin → citrulin + Pi
citrulin + ATP + aspartát → argininosukcinát + AMP + PPi
argininosukcinát → arginin + fumarát
arginin → močovina + ornithin
Celkem: 2NH3 + CO2 + 3ATP  močovina + 2ADP + AMP +
PPi + 2Pi
Regulace močovinového cyklu
Aktivita je regulována na dvou úrovních:
• potravou jsou primárně proteiny  hodně močoviny
(aminokyseliny se využijí jako zdroj energie)
• Dlouhodobé hladovění  odbourávání svalových
proteinů  hodně močoviny také
• Rychlost syntézy čtyř enzymů močovinového cyklu a
karbamoylfosfátsynthetasy I (CPS-I) v játrech je
regulována změnami danými požadavky na aktivitu
močovinového cyklu.
Regulace močovinového cyklu
• Velmi rychle se enzymy syntetizují
– během hladovění
– u diety s vysokým obsahem proteinů
• Pomalu se enzymy syntetizují
– u dostatečné stravy obsahující cukry a tuky
– u bezproteinové diety
Regulace močovinového cyklu
N-acetylglutamová kyselina –
alosterický aktivátor CPS-I
• Vysoká koncentrace Arg →
stimulace N-acetylace
glutamátu acetyl-CoA
Enzymatické poruchy
močovinového cyklu
Toxicita amoniaku
Jaterní encefalopatie
• Vysoká hladina amoniaku v krvi a jiných biologických tekutinách →
difúze amoniaku do buněk, přes hematoencefalickou bariéru →
zvýšená syntéza glutamátu z a-ketoglutarátu, zvýšená syntéza
glutaminu.
• vyčerpání a-ketoglutarátu z CNS → inhibice citrátového cyklu a
produkce ATP.
• Neurotransmitery – glutamát (excitační neurotr.) a GABA (inhibiční
neurotr.), mohou přispívat k nežádoucím účinkům na CNS – bizarní
chování.
Deficience N-acetylglutamátsynthasy:
• Nedostatek nebo genetická mutace enzymu (autosomálně
recesivní) → selhání močovinového cyklu.
• Těžká novorozenecká porucha s fatálními následky, není-li zjištěna
ihned po porodu.
• Hyperamonemie a celková hyperaminoacidemie u novorozenců
(játra nejsou schopná syntetizovat N-acetylglutamát).
• Mezi časné příznaky patří apatie, zvracení a hluboké bezvědomí .
• Léčba: podává se strukturální analog N-karbamoyl-L-glutamát –
aktivuje CPS-I, snižuje intenzitu poruchy.
Hyperamonémie I (porucha karbamoylfosfátsynthetasy, CPS
I)
• autosomálně recesivní metabolická porucha, spojená s rozvojem
mentální retardace a vývojovým opožděním.
• Hyperamonemie je pozorována u 0 – 50% množství syntetizované
CPS-I v játrech oproti normálu.
• Léčba: podává se benzoát a fenylacetát, vzniklý hippurát a Phe-AcGln se vyloučí močí:
Hyperamonémie II (porucha ornithintranskarbamoylasy,
OTC):
• Nejčastější, nejobvyklejší porucha močovinového cyklu, v důsledku
zmutované a neúčinné formy enzymu.
• Závažné důsledky
• Recesivní na X chromosom vázaná porucha, způsobená řadou
různých mutací genu pro OTC – u mužů je porucha závažnější než
u žen (ženy jsou asymptomatickými heterozygoty).
• Dochází k mentální retardaci a zpoždění vývoje.
Citrulinémie; citrulinurie - porcha argininsukcinátsyntetasy
• autosomálně recesivní metabolická porucha, neschopnost
kondenzace citrulinu s aspartátem.
• Hromadění citrulinu v krvi, ve velkém množství je citrulin vylučován
do moči.
• Citrulinemie typu I - obvykle se projevuje v prvních dnech života.
• Citrulinemie typu II - příznaky a symptomy se obvykle projeví až v
dospělosti a postižen je hlavně nervový systém.
• Léčba – specifická náhrada argininem pro syntézu proteinů a
tvorbu kreatinu a ornithinu.
Argininosukcináturie - porucha argininosukcinátlyasy
• Vzácné autosomálně recesivní onemocnění, argininosukcinát je
vylučován ve velkém množství do moči.
• Závažnost příznaků se značně liší, je proto těžké určit vhodnou
terapii - vhodné je dietní omezení dusíku .
Argininémie - porucha arginasy
• Vzácné autosomálně recesivní onemocnění, vzniká řada abnormalit
ve vývoji a funkci CNS.
• Hromadění Arg v krvi a vylučování Arg a prekurzorů a produktů jeho
metabolismu v moči.
• Léčba – dieta s nízkým obsahem dusíku s obsahem esenciálních
aminokyselin.
Hlavní zdroje pro přednášku:
D. L. Nelson, M. M. Cox : LEHNINGER. PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY
Fifth edition
Marks´ Basic Medical Biochemistry A Clinical Approach. Four edition M.
Lieberman, A.D. Marks ed., 2013